CN112534281A - 用于监测电力传输介质的状况的设备 - Google Patents

Abstract

提供有一种用于监测电力传输介质（22）的状况的设备（20），设备（20）包括：信号源（24），所述信号源（24）用于传送沿着电力传输介质（22）行进的信号（30）；以及监测装置（26），所述监测装置（26）配置成检测电力传输介质（22）中的一个或多个反射信号（34），其中，监测装置（24）配置成使用所述或每个检测到的反射信号（34）来确定电力传输介质（22）的电容的改变。

Description

用于监测电力传输介质的状况的设备

技术领域

本发明涉及一种用于监测电力传输介质的状况的设备和方法。

背景技术

在输电系统中，电力典型地经由架空线路、海底缆线和/或地下缆线传送。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供有一种用于监测电力传输介质的状况的设备，设备包括：信号源，所述信号源用于传送沿着电力传输介质行进的信号；以及监测装置，所述监测装置配置成检测电力传输介质中的一个或多个反射信号，其中监测装置配置成使用所述或每个检测到的反射信号来确定电力传输介质的电容的改变。

出于各种各样的原因，电力传输介质的电容可能在其寿命期间改变。例如，电力传输介质的电容可能由于老化（诸如，热老化和高压老化）特别地以较高频率而改变。这样的改变可能导致脱离可接受的操作范围的电力传输介质的状况，并且因此导致脱离可接受的操作范围的电力传输介质的性能。

发明人已发现，时域反射法（TDR）能够用于监测并且确定电力传输介质的电容的改变，其对电力传输介质的特性阻抗（在其它情况下被称为浪涌阻抗）和传播速率或速度造成影响。通过成功地确定电力传输介质的电容的改变，有可能准确地监测电力传输介质的状况，以允许操作者作出任何必要的调整以维持其性能处于目标操作范围内并且识别进行维护或维修的任何需要。

本发明对于监测在长度上可能是数十或数百千米的长的电力传输介质的状况而是特别有用并且具有成本效益的。这是因为，使用TDR意味着，与具有在沿着电力传输介质的长度的各种点处连接的多个设备相反，设备仅需要连接到电力传输介质的一端，以便执行确定电力传输介质的电容的改变的功能。

此外，无论拓扑如何，本发明都容易适用于在任何类型的输电系统中使用的任何类型的电力传输介质。

为了确定电力传输介质的电容的改变，监测装置可以配置成使用所述或每个检测到的反射信号的到达时间和/或使用所述或每个检测到的反射信号的幅度或振幅。

存在配置本发明的设备的不同方式，以便获得关于电力传输介质的电容的改变的范围广泛的信息，并且由此提供关于电力传输介质的状况的更多的特定细节。

在本发明的实施例中，监测装置可以配置成使用所述或每个检测到的反射信号来确定电力传输介质的电容随着电力传输介质的长度的改变。

以上文的方式配置监测装置能够实现确定跨电力传输介质的长度的电容的改变的变化。

可以是如下的情况：电容的改变仅对电力传输介质的区段而非全部造成影响，这意味着，获得关于受影响的区段的信息将是期望的。

使用TDR不仅能够实现配置本发明的设备以获得关于受影响的区段的电容的改变的信息，而且还能够实现不在受影响的区段的附近的情况下获得信息。这对于当受影响的区段位于远程位置中时是有用的。

在本发明的另外的实施例中，监测装置可以配置成使用所述或每个检测到的反射信号来确定与电力传输介质的电容的改变对应的电力传输介质的区段的位置。

以上文的方式配置监测装置对于远程地查明受影响的区段的位置是有用的。

监测装置可以配置成使用基于电力传输介质中的参考位置的参考反射信号，并且监测装置可以配置成将所述或每个检测到的反射信号与参考反射信号比较，以确定与电力传输介质的电容的改变对应的电力传输介质的区段的位置。这能够实现更准确确定受影响的区段的位置。

在本发明的又另外的实施例中，监测装置可以配置成使用所述或每个检测到的反射信号来确定与电力传输介质的电容的改变对应的电力传输介质的区段的长度。

以上文的方式配置监测装置能够实现远程确定受影响的区段的长度。

监测装置可以配置成使用基于电力传输介质中的参考位置的参考反射信号，并且监测装置可以配置成将所述或每个检测到的反射信号与参考反射信号比较，以确定与电力传输介质的电容的改变对应的电力传输介质的区段的长度。这能够实现更准确确定受影响的区段的长度。

优选地，电力传输介质中的参考位置是电力传输介质中的特性阻抗的间断（discontinuity）的位置。特性阻抗的间断可以例如是电力传输介质中的接头、结或端子。

监测装置可以配置成使用所述或每个检测到的反射信号来确定电力传输介质的电容随着时间的改变。这能够实现采集关于电力传输介质的电容的改变的时变信息。这样的时变信息能够用于不仅提前对电力传输介质的任何必要的调整、维护或维修进行调度，而且还预测另一类似的电力传输介质的状况的未来改变。

在本发明的优选实施例中，电力传输介质可以是但不限于电力传输线路或缆线。示例包括但不限于架空线路、海底缆线和/或地下缆线。

在前文的实施例中的每个中，设备可以包括配置成使用所述或每个检测到的反射信号来确定电力传输介质的电容的改变的电路、处理器和/或计算装置。设备还可以包括实现用于使用所述或每个检测到的反射信号来确定电力传输介质的电容的改变的算法的软件或计算机指令。

根据本发明的第二方面，提供有一种用于监测电力传输介质的状况的方法，该方法包括以下的步骤：传送沿着电力传输介质行进的信号；检测电力传输介质中的一个或多个反射信号；以及使用所述或每个检测到的反射信号来确定电力传输介质的电容的改变。

本发明的第一方面的设备及其实施例的特征和优点已作必要的修正而应用于本发明的第二方面的方法及其实施例。

本发明的方法可以包括如下的步骤：使用所述或每个检测到的反射信号的到达时间来确定电力传输介质的电容的改变。

本发明的方法可以包括如下的步骤：使用所述或每个检测到的反射信号的幅度或振幅来确定电力传输介质的电容的改变。

本发明的方法可以包括如下的步骤：使用所述或每个检测到的反射信号来确定电力传输介质的电容随着电力传输介质的长度的改变。

本发明的方法可以包括如下的步骤：使用所述或每个检测到的反射信号来确定与电力传输介质的电容的改变对应的电力传输介质的区段的位置。

本发明的方法可以包括以下的步骤：使用基于电力传输介质中的参考位置的参考反射信号；和将所述或每个检测到的反射信号与参考反射信号比较，以确定与电力传输介质的电容的改变对应的电力传输介质的区段的位置。

本发明的方法可以包括如下的步骤：使用所述或每个检测到的反射信号来确定与电力传输介质的电容的改变对应的电力传输介质的区段的长度。

本发明的方法可以包括以下的步骤：使用基于电力传输介质中的参考位置的参考反射信号；和将所述或每个检测到的反射信号与参考反射信号比较，以确定与电力传输介质的电容的改变对应的电力传输介质的区段的长度。

在本发明的方法中，电力传输介质中的参考位置优选地是电力传输介质中的特性阻抗的间断的位置。

本发明的方法可以包括如下的步骤：使用所述或每个检测到的反射信号来确定电力传输介质的电容随着时间的改变。

在本发明的方法中，电力传输介质可以是但不限于电力传输线路或缆线。如上所述，示例包括但不限于架空线路、海底缆线和/或地下缆线。

附图说明

现在将参考附图通过非限制性示例的方式描述本发明的优选实施例，在所述附图中：

图1示意性地示出根据本发明的实施例的设备；

图2示出由于老化而导致的电力缆线介电常数的改变；

图3示出由于老化而导致的电力缆线的特性阻抗的改变；

图4示出由于老化而导致的电力缆线的传播速度的改变；

图5示出电力缆线的π区段表示的模型；

图6示出图1的设备的模拟；以及

图7至图12示出图4的模拟的结果。

具体实施方式

关于电力缆线描述本发明的下面实施例，但将意识到，本发明的下面实施例已作必要的修正而适用于其它类型的电力传输介质，其中的一些示例在本说明书中被描述了。

根据本发明的实施例的设备在图1中示出并且一般由参考标号20标示。设备20配置用于监测配置用于电力传输的电力缆线22的状况，如下所示。

设备20包括信号源24和监测装置26。在使用中，信号源24和监测装置26中的每个连接到电力缆线22的一端28，所述端28在此被称为发送端28。

该实施例中的信号源24配置为电压源。在使用中，电压源生成电信号30，所述电信号30传送到发送端28中，以便所传送的信号30沿着电力缆线22行进。如果电力缆线22的特性阻抗均匀遍及其长度，则将不存在所传送的信号30的反射。然而，当存在电力缆线22的特性阻抗的间断32时，所传送的信号30的一部分从间断32反射，并且由此反射信号34朝向发送端28返回行进。同时，所传送的信号30的剩余部分36以原方向沿着电力缆线22继续行进。如果所传送的信号30的剩余部分36进一步沿着电力缆线22遇到特性阻抗的另一间断，则这将导致生成朝向发送端22返回行进的另一反射信号。

监测装置26包括电传感器，该实施例中的所述电传感器是电压传感器。当反射信号34到达发送端时，电压传感器检测反射信号34的电压振幅。另外，通过使时间与反射信号34的检测相关联，电压传感器检测在发送端28处的反射信号34的到达时间。这转而使监测装置26能够根据从发送端28的所传送的信号30的离开时间与在发送端28处的反射信号34的到达时间之间的差来确定反射信号34的总行进时间。

可能在电力缆线22中发生所传送的信号30的多次反射，这导致由监测装置26检测到多个反射信号。

在使用中，电力缆线22可能经历老化，诸如，热老化和高压老化。电力缆线22的电容由于老化而以较高的频率减小。这在图2中图示，所述图2示出电力缆线介电常数的改变，其直接地对应于由于老化而导致的电力缆线电容的改变。在其中示例性电力缆线经历热老化的理想情况下，电力缆线介电常数的下降以大约10⁵ Hz的频率发生。然而，实际上，相同电力缆线经历热老化和高压老化两者，这导致与对于理想情况的电力缆线介电常数的下降比较以大概10⁴ Hz的较低频率进行的电力缆线介电常数的下降。在这两种情况下，由于老化而导致的电力缆线介电常数的下降以相对高的频率发生。

电力缆线22的电容的减小具有增大电力缆线22的特性阻抗和传播速度的作用，这转而对反射信号的振幅和到达时间造成影响。

图3示出由于老化而导致的电力缆线22的特性阻抗的改变，其中电力缆线22的特性阻抗的值在最低曲线处或其附近开始，并且由于老化而朝向最高曲线移动。图例示出与每个曲线（1000至0.1）相关联的值，所述每个曲线表示电力缆线2的半导体屏蔽层的传导率（S/m）。

图4示出由于老化而导致的电力缆线22的传播速度的改变，其中电力缆线22的传播速度的值在最低曲线处或其附近开始，并且由于老化而朝向最高曲线移动。图例示出与每个曲线（1000至0.1）相关联的值，所述每个曲线表示电力缆线22的半导体屏蔽层的传导率（S/m）。

发明人已发现，电力缆线22的电容的改变能够通过使用TDR来确定，特别地通过使用检测到的反射信号34的电压振幅和到达时间来确定。

在该实施例中，设备包括使用所述或每个检测到的反射信号来确定电力传输介质的电容的改变的处理器。

使用TDR来确定电力缆线22的电容的改变参考图5至图12如下地示范性地描述，所述图5至图12图示所实行的模拟，以便示出如何使用TDR来检测电力缆线22的电容的改变。在PSCAD中使用MATLAB模型来实行模拟。

电力缆线22被建模为包括多个电阻器-电感器串联连接的并联布置38的π区段，其中并联布置38在一对分流阻抗40之间连接。每个分流阻抗40包括多个电阻器-电容器并联连接的串联连接。图5以分流阻抗40的取决于频率的表示来示出所建模的π区段。

电力缆线22包括内半导体屏蔽层、外半导体屏蔽层以及中间的交联聚乙烯（XLPE）绝缘层。内半导体屏蔽层和外半导体屏蔽层的电阻率典型地由于国际电工委员会要求而分别低于1000 Ωm和2000 Ωm，而绝缘层的电阻率通常超过1000 G Ωm。要假设，半导体屏蔽层由与绝缘层相同的材料并且使用与绝缘层相同的过程来挤出（extrude），并且以碳纳米粒子的形式的添加剂添加到半导体屏蔽层。

由于老化而导致的电力缆线22的电容的总体改变由半导体屏蔽层的电阻Rsco、Rsci的增大来表示。电力缆线阻抗的分析表明，在老化期间，半导体屏蔽层变得电阻性更强，这可能由于纳米粒子的移动或化学改变而已经出现。半导体屏蔽层的电阻率可能由于老化而以大约3个数量级增大，所述半导体屏蔽层的电阻率仍然低于绝缘层的电阻率。

图6示出电力缆线22的所估计的电容与所模拟的电容之间的比较。已包括针对绝缘层和半导体屏蔽层的膨胀系数，以能够实现在不同温度下由于老化而导致的电力缆线电容的改变的估计和模拟。在图6中表明，所估计的电容和所模拟的电容在值上充分相似。结果，模型对于准确地模拟由于老化而导致的电力缆线电容的改变是可靠的。

在确定电力缆线22的电容的改变中的TDR的有效性通过使用表示未老化的电力缆线的第一模型和表示老化的电力缆线的第二模型来测试。对于两个模型中的电力缆线，串联阻抗依然相同（即，多个电阻器-电感器串联连接的并联布置的值依然相同），而半导体屏蔽层的电阻Rsco、Rsci被改变，以模拟未老化和老化，从而拟合所估计的电容。

图7图示PSCAD模拟。信号源被表示为具有控制信号的脉冲宽度的断路器的50 V电压源。使用标准20 µs脉冲宽度，其中断路器在0.02 s闭合，并且在0.02002再次重新断开。标记为“缆线”的方块中的每个表示由40个π区段构成的50 km长度的电力缆线，这些π区段中的每个包括50个电阻器-电感器串联连接的并联布置。大量的π区段和并联电阻器-电感器串联连接用于来自DC高达1 MHz良好地表示电力缆线。较少的电阻器-电容器并联连接能够用于分流阻抗，因为它们产生在相同频率范围内的良好拟合。在此情况下，每个π区段包括3个电阻器-电容器并联连接。

考虑四个老化阶段，其具有带有如图8中所示出的频率的电力缆线电容的对应值。第一老化阶段44基于未老化的电力缆线，第二老化阶段46基于老化开始时的电力缆线，第三老化阶段48基于已老化的电力缆线，并且第四老化阶段50基于已比第三阶段更大程度地老化的电力缆线。在图8中所示，不存在对于第一阶段44的电力缆线22的电容的下降、对于第二老化阶段46的未发生直到1 MHz的频率之后为止的电力缆线22的电容的下降、对于第三阶段48以约10⁴ Hz发生的电力缆线22的电容的下降、以及对于第四阶段50以约10³ Hz发生的电力缆线22的电容的下降。

图9示出对于第一反射脉冲和第二反射脉冲在发送端28处的模拟TDR结果，并且图10图示对于相同的模拟TDR结果的脉冲振幅和到达时间的改变。第一反射脉冲和第二反射脉冲的脉冲振幅和到达时间类似于第一阶段44和第二阶段46，其期望鉴于具有如图8中所示出的对于第一阶段和第二阶段44、46的频率的电力缆线电容的类似值。对于第三阶段48的第一反射脉冲和第二反射脉冲的脉冲振幅在与第一阶段和第二阶段44、46比较时是更低的，并且对于第四阶段50的第一反射脉冲和第二反射脉冲的脉冲振幅在与第一阶段第二阶段以及第三阶段44、46、48比较时是更低的。类似地，对于第三阶段48的第一反射脉冲和第二反射脉冲的到达时间在与第一阶段和第二阶段44、46比较时是更早的，并且对于第四阶段50的第一反射脉冲和第二反射脉冲的脉冲振幅在与第一阶段第二阶段以及第三阶段44、46、48比较时是更早的。这些模拟TDR结果与具有如图6中所示出的频率的电力缆线电容的值一致。这是因为，由于老化而导致的电力缆线电容的减小具有增大电力缆线22的特性阻抗和传播速度的作用，这导致反射脉冲的减小的脉冲振幅和更早的到达时间。

图11示出对于相同的类型和长度但具有不同的老化特性的四个电力缆线的模拟TDR结果。每个电力缆线的长度是150 km。第一电力缆线52是新的，并且由此未老化，第二电力缆线54遍及其长度老化，第三电力缆线56仅在其中心50 km区段中老化，并且第四电力缆线58在其中心6.5 km区段中老化。可能由于例如热点而发生电力缆线的不均匀老化。

在图11中示出，反射脉冲的脉冲振幅和到达时间对于具有不同老化特性的四个电力缆线52、54、56、58是不同的。

对于第二电力缆线54的反射脉冲的脉冲振幅低于对于第一电力缆线52的反射脉冲的脉冲振幅。对于第二电力缆线54的反射脉冲的到达时间早于对于第一电力缆线52的反射脉冲的到达时间。这是由于第一电力缆线52遍及其长度未老化并且第二电力缆线54遍及其长度老化而造成的。

对于第三电力缆线56的反射脉冲的脉冲振幅低于对于第一电力缆线52的反射脉冲的脉冲振幅。对于第三电力缆线56的反射脉冲的到达时间早于对于第一电力缆线52的反射脉冲的到达时间。这是由于第一电力缆线52遍及其长度未老化并且第三电力缆线56除了其中心50 km区段以外遍及其长度未老化而造成的。

对于第二电力缆线54的反射脉冲的脉冲振幅低于对于第三电力缆线56的反射脉冲的脉冲振幅。对于第二电力缆线54的反射脉冲的到达时间早于对于第三电力缆线56的反射脉冲的到达时间。这是由于第二电力缆线54遍及其长度老化并且第三电力缆线56除了其中心50 km区段以外遍及其长度未老化而造成的。

另外，关于第三电力缆线58，在刚刚0.0205秒标记之后观察额外脉冲60，这意味着，设备20能够检测老化的中心50 km区段的电容的改变。

第一电力缆线和第四电力缆线52、58的反射脉冲的脉冲振幅和到达时间除了在刚刚将0.021秒标记之前的额外脉冲62以外几乎完全相同。在图12中示出对于第四电力缆线的额外脉冲62的特写（close-up）。这是由于第一电力缆线54遍及其长度未老化并且第四电力缆线58除了老化的中心6.5 km区段以外遍及其长度的大部分未老化而造成的。存在额外脉冲62意味着，即使中心6.5 km明显地短于150 km的电力缆线的总长度，但设备20能够检测相对短的中心6.5 km区段的电容的改变。

模拟TDR结果示出，有可能使用设备20来执行TDR以检测不同的老化特性，并且由此在四个电力缆线52、54、56、58的不同的老化特性之间进行区分。

关于电力缆线22的电容的改变的另外的信息能够通过对在不同的时间点（例如，在调试期间以及在老化期间）的反射脉冲的脉冲振幅和到达时间进行比较来获得，以便监测电力缆线22关于时间的老化，并且因此监测电力缆线22关于时间的电容的改变。

额外脉冲60、62的到达时间能够用于确定第三电力缆线和第四电力缆线56、58的老化区段的位置和长度。这基于与特性阻抗的增大对应的正的脉冲振幅，并且负的脉冲振幅对应于特性阻抗的减小。当所传送的信号30首先从具有较低的特性阻抗的未老化区段行进到具有较高的特性阻抗的老化区段时，所得的第一反射脉冲具有正的脉冲振幅。当所传送的信号36继续从具有较高的特性阻抗的老化区段行进到具有较低的特性阻抗的未老化区段时，所得的第二反射脉冲具有负的脉冲振幅。因此，能够识别沿着电力缆线22的老化区段的位置，并且此外能够确定沿着电力缆线22的全长的老化。能够通过将第一反射脉冲的到达时间与第二反射脉冲的到达时间比较来确定老化区段的长度。

为了帮助确定老化区段的位置和/或长度，监测装置26可以使用基于电力缆线22中的已知参考位置的参考反射信号。电力缆线22中的已知参考位置可以是电力缆线22中的接头、结或端子或电力缆线22中的特性阻抗的间断32的任何其它已知位置。通过将检测到的反射脉冲与参考反射信号比较，监测装置26能够使用更多的信息来帮助确定电力缆线22的老化区段的位置和/或长度。

因此，本发明的设备20能够实现使用TDR来获得信息关于电力缆线22的电容的改变的信息。所获得的信息能够用于监测电力缆线22的状况。更特定地，所获得的信息能够用作输入，以确定电力缆线22的状况和性能是否处于可接受的操作范围内，并且确定是否要求电力缆线22的任何调整、维护或维修。而且，使用TDR来监测电力缆线22的电容的改变有益于长的电力缆线，因为设备20仅需要连接到电力缆线22的一端28。

将意识到，对于所示出的实施例而给出的每个数值和性质仅仅被选取来帮助图示本发明的运作，并且可以被另一数值或性质取代。

Claims (15)

1.一种用于监测电力传输介质（22）的状况的设备（20），所述设备（20）包括：信号源（24），所述信号源（24）用于传送沿着所述电力传输介质（22）行进的信号（30）；以及监测装置（26），所述监测装置（26）配置成检测所述电力传输介质（22）中的一个或多个反射信号（34），其中所述监测装置（26）配置成使用所述或每个检测到的反射信号（34）来确定所述电力传输介质（22）的电容的改变。

2.根据权利要求1所述的设备（20），其中，所述监测装置（26）配置成使用所述或每个检测到的反射信号（34）的到达时间来确定所述电力传输介质（22）的电容的所述改变。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备（20），其中，所述监测装置（26）配置成使用所述或每个检测到的反射信号（34）的幅度或振幅来确定所述电力传输介质（22）的电容的所述改变。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的设备（20），其中，所述监测装置（26）配置成使用所述或每个检测到的反射信号（34）来确定所述电力传输介质（22）的电容随着所述电力传输介质（22）的长度的所述改变。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的设备（20），其中，所述监测装置（26）配置成使用所述或每个检测到的反射信号（34）来确定与所述电力传输介质（22）的电容的所述改变对应的所述电力传输介质（22）的区段的位置。

6.根据权利要求5所述的设备（20），其中，所述监测装置（26）配置成使用基于所述电力传输介质（22）中的参考位置的参考反射信号，并且所述监测装置（26）配置成将所述或每个检测到的反射信号（34）与所述参考反射信号比较，以确定与所述电力传输介质（22）的电容的所述改变对应的所述电力传输介质（22）的所述区段的所述位置。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的设备（20），其中，所述监测装置（26）配置成使用所述或每个检测到的反射信号（34）来确定与所述电力传输介质（22）的电容的所述改变对应的所述电力传输介质（22）的区段的长度。

8.根据权利要求7所述的设备（20），其中，所述监测装置（26）配置成使用基于所述电力传输介质（22）中的参考位置的参考反射信号，并且所述监测装置（26）配置成将所述或每个检测到的反射信号（34）与所述参考反射信号比较，以确定与所述电力传输介质（22）的电容的所述改变对应的所述电力传输介质（22）的所述区段的长度。

9.根据权利要求6或权利要求8所述的设备（20），其中，所述电力传输介质（22）中的所述参考位置是所述电力传输介质（22）中的特性阻抗的间断的位置。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的设备（20），其中，所述监测装置（26）配置成使用所述或每个检测到的反射信号（34）来确定所述电力传输介质（22）的电容随着时间的所述改变。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的设备（20），其中，所述电力传输介质（22）是电力传输线路或缆线。

12.一种用于监测电力传输介质的状况的方法（22），所述方法包括以下的步骤：传送沿着所述电力传输介质（22）行进的信号（30）；检测所述电力传输介质（22）中的一个或多个反射信号（34）；以及使用所述或每个检测到的反射信号（34）来确定所述电力传输介质（22）的电容的改变。

13.根据权利要求12所述的方法，包括如下的步骤：使用所述或每个检测到的反射信号（34）的到达时间来确定所述电力传输介质（22）的电容的所述改变。

14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，包括如下的步骤：使用所述或每个检测到的反射信号（34）的幅度或振幅来确定所述电力传输介质（22）的电容的所述改变。

15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，包括如下的步骤：使用所述或每个检测到的反射信号（34）来确定与所述电力传输介质（22）的电容的所述改变对应的所述电力传输介质（22）的区段的位置。

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